李春寶，薛世峰，俞然剛，張艷美，孫 翔，劉曉輝，趙致俊

（1.中國石油大學（華東）a.儲運與建筑工程學院；b.規(guī)劃建設(shè)處，山東 青島 266580；2.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600）

目前地基處理方法主要有：換土墊層法、振動擠密法、排水固結(jié)法、置換法、加筋法、膠結(jié)法等［1－3］。上述方法在以往的地基處理中發(fā)揮了積極的作用，但都存在各種弊端阻礙了每種方法的廣泛推廣。如強夯法產(chǎn)生的噪音影響周圍居民的生產(chǎn)和生活，并且會引起對周圍土體產(chǎn)生擾動，導致土體應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力路徑改變以及土體工程性質(zhì)變異，或有可能誘發(fā)土體液化［4－5］；換土墊層法、置換法、加筋法工作量大，成本較高［6－7］；排水固結(jié)法周期較長；膠結(jié)法質(zhì)量難以控制、保證［8－9］?；谝陨显?，首次提出并驗證了“渦壓擠擴機理”，并將“渦壓擠擴機理”應(yīng)用于地基處理。筆者設(shè)計了帶有渦壓葉片的鋼套管［10］，可在地面以下沿水平方向?qū)⒘鲬B(tài)混凝土渦壓擠擴到需要加固的土層中，在該土層附近區(qū)域形成增強體，提高了該土層在水平方向和豎直方向抗剪強度，降低土體的壓縮性。該方法適用性強、處理深度大、簡單易行、保證質(zhì)量、造價低廉。

1 渦壓擠擴機理介紹

渦壓擠擴機理是利用鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過程中使渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土獲得動能和靜壓能（其中靜壓能占主導），獲得靜壓能的流態(tài)混凝土經(jīng)過渦壓腔口被渦壓葉片擠壓到套管外的周圍土體中，使流態(tài)混凝土在深度土層位置向水平方向擠擴。此機理已在中國石油大學（華東）巖土工程實驗室內(nèi)得到驗證（見圖1）。運用渦壓擠擴機理進行地基處理的過程中，石子被擠入到周圍土體中形成擴徑體，能夠有效地擠密樁周土體；水泥漿被擠擴帶入到周圍土體中與其凝結(jié)固化，起到了膠結(jié)土體的作用。樁體、擴徑體和周圍的膠結(jié)土體形成的共同體使得地基土在水平方向和豎直方向的整體強度得到了大幅度提高。

2 渦壓擠擴機理室內(nèi)試驗

渦壓擠擴機理的驗證試驗采用的擠擴環(huán)境箱和渦壓套管等設(shè)備為自行設(shè)計的，委托中國石油大學（華東）機械加工廠制作（圖1）。鋼套管頂部設(shè)孔，作為扭矩扳手的施力點，鋼套管總高度為800mm，內(nèi)徑為100mm，壁厚5mm，距離鋼套管底部100mm處以上設(shè)置渦壓腔，渦壓腔的高度為120mm。擠擴環(huán)境箱由1個底板、2個側(cè)壁板和1個蓋板組成（圖1（a）、（b）），2個側(cè)壁板所圍成的圓柱形箱體內(nèi)徑為800 mm，箱體高度為600mm。底板中心位置設(shè)有固定鋼套管的環(huán)箍，蓋板上設(shè)有固定鋼套管的圓孔，底板環(huán)箍的圓心與頂板圓孔的圓心同軸，以方便鋼套管順利旋轉(zhuǎn)。試驗過程中，首先將2個側(cè)壁板與底板用螺栓固定好，將鋼套管底部放置在底板的環(huán)箍內(nèi)；將粘性土或砂性土投放到擠擴環(huán)境箱內(nèi)，并作夯實處理，以模擬真實的土質(zhì)環(huán)境；再將蓋板放置在側(cè)壁板上，使得鋼套管從蓋板中央的孔中穿出，使用螺栓將蓋板和側(cè)壁板固定好；將流態(tài)混凝土灌入到鋼套管內(nèi)，順時針旋轉(zhuǎn)扭矩扳手，帶動鋼套管旋轉(zhuǎn)，鋼套管內(nèi)的流態(tài)混凝土即可通過渦壓腔口（圖1（c））被擠擴到周圍土體中；擠擴至預(yù)定的扭矩值時，拔出鋼套管；待混凝土強度≥50%時，將蓋板和其中的一個側(cè)壁板拆除掉，剝開粘性土或砂性土介質(zhì)，并用毛刷將樁體模型表面的殘留土質(zhì)刷掉，即可看到圖1（a）、（b）中所示的混凝土擴徑部分。

圖1 渦壓擠擴機理的試驗驗證

試驗所采用的粘性土物理力學性能指標［11］：孔隙比e＝0.675，天然重度r＝19.2kN／m3，含水量w＝22.5%，塑性指數(shù)Ip＝16.2，液性指數(shù)IL＝0.15，壓縮系數(shù)a1－2＝0.14MPa－1，標貫擊數(shù) N＝18，屬于中等偏低壓縮性土。模型樁的直徑d為100mm，最大擴徑部分的直徑D為200mm，在渦壓擠擴過程中所需要的扭矩通過扭矩扳手測量，以扭矩為控制指標，待扭矩扳手上的數(shù)據(jù)分別顯示50、100、150、200、250N·m 時停止旋鈕，待混凝土強度≥50%時，將擠擴環(huán)境箱拆開，測量擴徑的尺寸Δr，Δr為擴徑部分的半徑增加量，將Δr與模型樁直徑d的比值定義為擴徑比。扭矩與擴徑尺寸Δr之間的關(guān)系（見圖2），最大擴徑比為0.5。

試驗中所采用的砂性土物理力學性能指標［12］：其w＝20.6%，N＝21擊，r＝20.0kN／m3，屬中等偏低壓縮性土，為中密狀態(tài)。模型樁的直徑d為100mm，最大擴徑部分的直徑D為220mm。采用粘性土介質(zhì)中的測試方法實施砂性土介質(zhì)的擠擴試驗，扭矩與擴徑尺寸之間的關(guān)系（見圖3），最大擴徑比為0.6。

圖2 粘性土介質(zhì)中扭矩－Δr關(guān)系圖

圖3 砂性土介質(zhì)中扭矩－Δr關(guān)系圖

由扭矩－Δr關(guān)系圖可知：Δr的大小與施加在鋼套管上的扭矩呈非線性關(guān)系，且決定于土的壓縮性。當土在彈塑性區(qū)域范圍內(nèi)被充分擠壓時，曲線最初是平緩上升，后期曲率突然變大，在擠擴的后期即使增大扭矩也難以繼續(xù)擴徑，此時的扭矩為渦壓擠擴的極限扭矩。這時的土體最為密實，抗剪強度達到最大，達到地基處理的目的。

3 渦壓腔內(nèi)流態(tài)混凝土流動形態(tài)的分析

鋼套管內(nèi)混凝土是通過渦壓葉片（圖1（c））擠擴到周圍土體中的，為了建立混凝土在渦壓腔內(nèi)運動的動力學模型，對渦壓過程中混凝土可能出現(xiàn)的流動形態(tài)進行分析。根據(jù)渦壓腔的結(jié)構(gòu)特點和渦壓原理，建立混凝土流動分析模型，得到混凝土在渦壓腔內(nèi)的動力學模型。

渦壓腔內(nèi)的混凝土流動狀態(tài)較為復(fù)雜，并不是單純的軸向流動和徑向流動，而是兩種運動復(fù)合的紊流運動。要得到理論模型，需將這種復(fù)雜的流動狀態(tài)予以簡化。提出假設(shè)［13］：由于渦壓腔內(nèi)設(shè)置了渦壓葉片，且流態(tài)混凝土受到重力的作用，可將渦壓腔內(nèi)混凝土的運動軌跡分解為兩部分，一部分為沿渦壓腔體軸向的豎向運動（圖4（a）），另一部分為與渦壓腔體軸線垂直的水平方向運動（圖4（b））。渦壓葉片驅(qū)使混凝土向渦壓腔外水平方向擴散［14－15］。

由于鋼套管內(nèi)部灌滿了流態(tài)混凝土，在重力的作用下，在渦壓腔的上部位置產(chǎn)生較大的靜壓力。鋼套管在旋轉(zhuǎn)的過程中，渦壓腔內(nèi)的流態(tài)混凝土被不斷地渦壓到周圍土體中，形成負壓，渦壓腔將不斷的“吞吸”上部的流態(tài)混凝土進入腔體。所以，流態(tài)混凝土在鋼套管和渦壓腔內(nèi)的運動可認為是連續(xù)穩(wěn)定的。

圖4 渦壓腔內(nèi)部混凝土運動軌跡

4 結(jié)論

提出并在實驗室內(nèi)驗證了“渦壓擠擴機理”，使用自制的擠擴環(huán)境箱在實驗室內(nèi)分別對粘性土和砂性土進行了擠擴試驗，定義了“渦壓擠擴機理”中所用到的擴徑比和極限扭矩，結(jié)果表明：通過渦壓擠擴方法可使模型樁的直徑擴大1倍以上，實現(xiàn)了擠密土體、增加土體抗剪強度的目的。通過建立混凝土流動分析模型，得到混凝土在渦壓腔內(nèi)的運動軌跡圖。證實了渦壓腔內(nèi)混凝土的流動趨勢為混凝土向腔體外渦壓擠擴的假設(shè)。隨著對“渦壓擠擴機理”進行更深入的研究，亦可將其應(yīng)用到抗壓樁、抗拔樁、錨桿、泥漿護壁以及石油鉆井領(lǐng)域的固井方面。

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